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案例頻道1 引言
起重機在工礦企業有著廣泛應用，主要用來實現物體的升降和轉運。氧化鋁行業配送部包裝車間的橋式起重機，一臺設備每天進、出氧化鋁鋁粉量達2000多噸，使用頻繁，工作量巨大，而且環境惡劣(有堿性腐蝕粉塵)。橋式起重機能否正常工作直接影響包裝車間生產效率和任務的完成，甚至關系到人身、設備的安全。
2 問題的提出
我廠配送部包裝車間原使用的橋式起重機的拖動系統采用繞線式交流異步電動機，轉子回路內串入多級外接電阻來分級調速，采用凸輪控制器、繼電器－接觸器控制，這種調速方式實現簡單，但是存在諸多缺點:
(1) 繞線型轉子串電阻的調速機械特性軟，調速性能差;
(2) 串電阻調速是一種有級調速方式，通過接觸器的分合完成對轉子串聯電阻的切換，從而調整電機的轉速，在進行電阻切換時會對電網及天車的機械部分帶來不可避免的沖擊;
(3) 主回路中采用正反轉接觸器實現電機換向，實際操作中操作者為了調整橋式起重機的工作狀態，頻繁采用反接制動(俗稱打反車)，切換電流大，接觸器和電機工作狀態惡劣，設備檢修維護費用非常高;
(4) 起重機起動、調速時轉子所串電阻為純耗能元件，浪費大量電能。另外，由于調速電阻的限制，調速范圍窄，起動轉矩小，延長了起動時間，影響生產效率;
(5) 系統抱閘是在運動狀態下進行的，對制動器損壞很大，閘皮磨損嚴重。
針對實際生產中存在的問題，決定對包裝車間橋式起重機實施由新型聯動控制臺、PLC和高性能變頻調速裝置組成的整體技術改造解決方案。
3 系統改造方案的實施
3.1 系統的配置
包裝車間橋式起重機的電氣傳動系統有大車電動機7.5kW×2臺，小車電動機2.2kW×1臺，卷揚電動機15kW×1臺。實施的技術改造方案采用3臺變頻器控制4臺電機，其中卷揚電動機和小車電動機分別用一臺ACS800-01-0040-3和ACS800-01-0005-3變頻器驅動，大車兩臺電動機則用一臺ACS800-01-0030-3變頻器驅動，實現同步運行，每臺變頻器配置了能耗制動組件，實現位置勢能和制動能量的消耗。系統配置了Siemens S7-200小型可編程序控制器構成整個控制系統的中心，配置新型聯動控制臺替換原有凸輪控制器，實現系統運行操作。系統配置圖如圖1所示:
圖1 系統配置圖
起重機的電氣傳動控制系統主要由ABB ACS800系列變頻器、西門子PLC控制系統和聯動操作臺組成，通過PLC控制系統處理聯動操作臺的速度給定信號，調節變頻器的輸出相序和頻率來控制驅動電機的方向和轉速，取代原來的傳統繞線型轉子串電阻調速驅動系統。其中大小車系統結構圖如圖2所示，卷揚系統結構圖如圖3所示。
圖2 大車、小車變頻調速系統結構圖
圖3 卷揚變頻調速系統結構圖
3.2控制系統的主要特點
(1) 原4臺交流繞線異步電動機轉子中心點直接短接，所有轉子回路的電纜、電阻器、頻敏變阻器及接觸器全部取消。
(2) 在行車上裝3個不銹鋼控制柜，防護等級為IP54。卷揚變頻控制柜一個，大、小車變頻＋PLC控制柜一個，制動電阻柜一個，不銹鋼柜實現了防腐、防潮、防塵目的，以適應氧化鋁行業有腐蝕性粉塵的惡劣工作環境的要求。
(3) 變頻器選用ABB ACS800系列高性能變頻器，控制卷揚電機的變頻器系統軟件采用提升機應用宏，控制大、小車電機的變頻器系統軟件選用標準應用宏。
(4) PLC選用SIEMENS S7－200系列，控制手柄向PLC發出的開、停、快、慢、提升、下放等指令，相應的PLC發出指令控制變頻器的正反轉和各種速度，以達到橋式起重機的最佳控制狀態。
(5) 變頻器產生制動轉矩時，電機從負載接受機械能，將它變為電能送入變頻器，導致直流電壓升高，此時變頻器必須處理這部分能量，否則由于直流回路的電容被過充電，過壓保護動作將使其運轉停止，所以在變頻器直流回路中設置制動單元和制動電阻，將吊車在下降制動過程中釋放出的能量消耗在制動電阻上。
(6) PLC根據控制程序、輸入控制信號及提升、下放等指令，完成吊車的各種工況的協調和控制。
(7) 聯動控制臺有二個，多檔速度控制。
卷揚聯動控制臺:卷揚獨立控制單手柄操作，具有提升快、中、慢三檔速度，下放快、中、慢三檔速度，以及停車等項功能。
大、小車聯動控制臺:大、小車共用一個手柄操作，為全方位操作手柄，可以同時控制大、小車，也均具有快、中、慢及停車控制等項功能。
3.3系統故障保護和故障診斷主要特點
變頻器具備對電機和變頻器本身的完善保護功能，如過熱、過載、過流、過壓、缺相、接地等，從而避免設備在不正常狀態下長時間運行，保護設備不至于損壞。
故障信息除可以準確地指示故障點以外，還顯示導致故障的原因及排除故障的措施，極大地方便了維護人員排除故障。
運行中發生故障停止運轉后復位操作也很簡單，只要在排除故障后按下故障復位就可以。
4 改造后控制系統達到的實際效果
(1) 采用變頻調速改造后，實現了平滑調速，且效率極高，與原有串電阻調速方式比較，起動更平穩、定位更準確;
(2) 系統由控制手柄來控制變頻器的輸出，調整電機轉速，操作方便，調速范圍寬，可任意設置運行速度;
(3) 系統中選用了ABB變頻器及專用提升機應用宏，實現了變頻器在零速時的滿轉矩輸出(最高可達到額定轉矩的300%)和內部集成的抱閘邏輯控制，提高了系統應用的穩定性和可靠性;
(4) 卷揚、大小車起動、制動、加速、減速等過程更平穩快速，定位更準確，節能效果明顯，根據測試節電率可達35%;
(5) 控制回路簡單，實現了軟啟、軟停，對齒輪、電機無沖擊，故障率低，易于維護，大大減少維護費用;
(6) 由于系統留有進一步功能擴展的接口，今后可根據實際需要擴展無線遙控、現場總線通訊等功能;
(7) 從改造后投運的1＃包裝車間的2臺橋式起重機的狀況來看，很好的解決了電機的起動、停止時的沖擊電流，加上變頻器對電機的完善保護功能，極大的提高了行車的可靠性和安全性，延長了使用壽命。
5 結束語
本系統自投運以來，達到了改造的預期目的，運行良好，調速性能優異、起動停止平穩、定位準確、安全可靠、操作簡單、節能顯著、裝置體積小，在同行業有著廣泛的推廣應用價值。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號